專利名稱：用于離子束注入機(jī)的可調(diào)注入角的工件支撐結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種與離子束注入機(jī)的注入腔相連的可調(diào)注入角的工件支撐組件或結(jié)構(gòu)，更具體地涉及這樣一種工件支撐組件或結(jié)構(gòu)，其可為工件提供相對(duì)于離子束的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，使得可以選擇工件的注入角，并使工件在所選注入角下沿著直線路徑移動(dòng)，其中在工件的移動(dòng)過程中，從離子束進(jìn)入注入腔的入口到離子束與工件注入面的相交處的距離保持恒定。
背景技術(shù)：
離子束注入機(jī)廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體晶片的摻雜工藝中。離子束注入機(jī)產(chǎn)生由帶正電荷離子的所需物質(zhì)所組成的離子束。離子束撞擊在工件如半導(dǎo)體晶片、襯底或平板的裸露表面上，從而為工件表面摻入或注入所需的離子。某些離子注入機(jī)使用了連續(xù)注入工藝，其中將單個(gè)較大的晶片工件放在注入腔中的支撐件上，并且連續(xù)地進(jìn)行注入，即一次對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行注入。支撐件定位成使工件處于離子束的射束管線中，離子束在工件上反復(fù)地掃描，以便注入所需劑量的離子。在完成注入時(shí)，將工件從支撐件中移走，并將另一工件放在支撐件上以進(jìn)行注入。
近年來，半導(dǎo)體工業(yè)中的趨勢(shì)是使用日益增大的晶片工件，例如300毫米直徑的晶片。非常希望能具備對(duì)大晶片工件或諸如平板的其它工件進(jìn)行注入的能力。一種對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)注入的方法是使工件在扇形或帶狀的掃描離子束之前移動(dòng)。這種離子束足夠?qū)?，從而可均勻地?duì)工件的整個(gè)寬度進(jìn)行注入。為了對(duì)整個(gè)工件進(jìn)行注入，需要有橫向于離子束的方向或范圍的第二運(yùn)動(dòng)。另外，經(jīng)常需要能夠改變正被注入的特定工件的注入角。注入角是在離子束與工件的處理表面之間形成的入射角。零度的注入角意味著工件的注入面與離子束的射束管線垂直。
現(xiàn)有技術(shù)的離子束注入機(jī)的工件支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)在于，除了零度注入角以外，工件沿著垂直于離子束射束管線的移動(dòng)路徑的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了離子束在撞擊到工件注入面上之前在注入腔內(nèi)的傳播距離會(huì)變化。換句話說，如果注入角不是零度，那么工件可被看成相對(duì)于離子束的射束管線傾斜。如果這種傾斜的工件垂直于離子束的射束管線而運(yùn)動(dòng)，那么當(dāng)對(duì)工件中的朝向離子束傾斜的那一部分進(jìn)行注入時(shí)，與處于工件注入面的中心處的射束距離相比，離子束在撞擊到注入面上之前在注入腔中的傳播距離將減小。另一方面，當(dāng)對(duì)工件中的偏離離子束傾斜的那一部分進(jìn)行注入時(shí)，與處于工件注入面的中心處的射束距離相比，離子束在撞擊到注入面上之前在注入腔中的傳播距離將增大。
很明顯，工件越大且注入角相對(duì)于零度來說越大，那么在注入從工件注入面的一端移動(dòng)到注入面的另一端時(shí)，離子束在注入腔中所穿過的射束距離的差異將越大。由于離子束趨向于在其射束路徑上擴(kuò)散，因此非恒定的射束距離可能會(huì)對(duì)在整個(gè)工件注入面上得到均勻離子劑量的注入產(chǎn)生負(fù)面影響。這樣，朝向更大晶片的發(fā)展趨勢(shì)使得這一非恒定射束距離的問題更加嚴(yán)重。
為了確保工件注入面的均勻注入，需要使離子束在其撞擊到工件注入面上之前在注入腔中所穿過的射束距離保持基本上恒定。所需要的是這樣一種工件支撐結(jié)構(gòu)，其能夠在注入過程中選擇所需的注入角，并之后在工件相對(duì)于離子束的射束管線運(yùn)動(dòng)時(shí)在離子束進(jìn)入注入腔的入口與撞擊在注入面上的位置之間保持基本上恒定的射束距離。
發(fā)明概要本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例涉及一種離子束注入機(jī)，其具有位于真空腔或注入腔中的用于支撐工件的工件支撐結(jié)構(gòu)或組件。該離子束注入機(jī)包括用于產(chǎn)生離子束的離子束源，以及用于沿著傳播路徑傳送離子束并沿軸線進(jìn)行掃描的射束管線。工件在注入腔中由工件支撐結(jié)構(gòu)來支撐，從而將工件定位成使其與掃描離子束的傳播路徑相交，以便由離子束來對(duì)工件的注入面進(jìn)行注入。該工件支撐結(jié)構(gòu)有利地設(shè)置用于a)選擇所需的注入角；以及b)移動(dòng)工件，以便由離子束來對(duì)注入面進(jìn)行注入，同時(shí)在離子束進(jìn)入注入腔的入口與撞擊在注入面上的位置之間保持基本上恒定的射束距離。
工件支撐結(jié)構(gòu)與注入腔相連，并支撐了工件。工件支撐結(jié)構(gòu)包括與注入腔可旋轉(zhuǎn)地相連的第一旋轉(zhuǎn)件，該旋轉(zhuǎn)件具有垂直于離子束路徑的旋轉(zhuǎn)軸線，并且限定了一個(gè)穿過旋轉(zhuǎn)件的寬度并與旋轉(zhuǎn)件的旋旋轉(zhuǎn)軸線偏開的孔。工件支撐結(jié)構(gòu)還包括與第一旋轉(zhuǎn)件可旋轉(zhuǎn)地相連的第二旋轉(zhuǎn)件，其具有與第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線偏開的旋轉(zhuǎn)軸線。第二旋轉(zhuǎn)件覆蓋并密封了第一旋轉(zhuǎn)件中的孔。
工件支撐結(jié)構(gòu)還包括固定地連接在第二旋轉(zhuǎn)件上的第三部件。第三部件包括可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)件，其具有與第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊、并還與將進(jìn)行注入的工件注入面對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)軸線。在第三部件的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件上連接了工件支架，其穿過第一和第二旋轉(zhuǎn)件而延伸到注入腔中，并且在注入腔中支撐了工件。第一旋轉(zhuǎn)件和第三部件的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)改變了注入腔中工件相對(duì)于離子束路徑的注入角。第一旋轉(zhuǎn)件、第二旋轉(zhuǎn)件和第三部件的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致工件在垂直于離子束的方向上沿著移動(dòng)路徑作直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持所選擇的注入角。
有利的是，在工件沿著其直線移動(dòng)路徑的運(yùn)動(dòng)期間，離子束進(jìn)入注入腔的入口與離子束和工件表面的相交處之間的距離保持基本上恒定。
下面將結(jié)合附圖來詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例的這些及其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是本發(fā)明的離子束注入機(jī)的示意性平面圖；圖2是圖1所示離子束注入機(jī)的工件支撐結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖，該工件支撐結(jié)構(gòu)固定在離子束注入機(jī)的注入腔中；圖3是圖2所示工件支撐結(jié)構(gòu)的從離子束注入機(jī)的注入腔內(nèi)部看去的示意性側(cè)視圖；圖4是工件支撐結(jié)構(gòu)的從工件支撐結(jié)構(gòu)的底側(cè)看去、即從離子束注入機(jī)的注入腔內(nèi)部看去的截面透視圖；和圖5是工件支撐結(jié)構(gòu)的從工件支撐結(jié)構(gòu)頂側(cè)看去的截面透視圖。
詳細(xì)描述現(xiàn)在來看附圖，在圖1中顯示了離子束注入機(jī)10。該注入機(jī)包括離子源12，其用于產(chǎn)生形成了離子束14的離子，離子束14穿過射束路徑16而到達(dá)注入站20的端部中。注入站包括限定了內(nèi)部區(qū)域22e的真空腔或注入腔22，工件24如半導(dǎo)體晶片、襯底或平板工件便設(shè)于該內(nèi)部區(qū)域22e中，以便由離子束16來進(jìn)行注入。為了監(jiān)測(cè)和控制工件24所承受到的離子劑量，提供了電子控制器(由標(biāo)號(hào)26示意性示出)。操作人員對(duì)電子控制器26的輸入通過用戶控制臺(tái)27來進(jìn)行。
離子源12產(chǎn)生了將撞擊在工件24上的離子束14。隨著射束沿著離子源12和注入腔22之間的射束路徑16傳播過一段距離，離子束14中的離子將趨向于發(fā)散。離子源12包括等離子腔28，其限定了一個(gè)源材料將注入到其中的內(nèi)部區(qū)域。源材料可包括可電離的氣體或可蒸發(fā)的源材料。
沿著射束路徑16設(shè)置了分析磁體30，其可使離子束14彎曲并引導(dǎo)離子束穿過射束光閘32。在經(jīng)過射束光閘32之后，射束14穿過使射束14聚焦的四倍透鏡系統(tǒng)36。射束路徑16延伸穿過偏轉(zhuǎn)電極38，在這里離子束14被重復(fù)性地偏轉(zhuǎn)或掃描，以產(chǎn)生帶狀離子束，從而使離子束14處于注入腔22中的部分是帶狀的離子束14a。帶狀離子束14a經(jīng)由腔22的前壁22b中的孔22a而進(jìn)入到注入腔22中。帶狀離子束14a是本質(zhì)上具有非常窄的矩形形狀的離子束，即在一個(gè)方向上延伸的射束，例如在水平方向或x方向上具有一定的范圍(如圖5中的W所示)，而在正交方向如垂直方向或y方向上具有非常有限的范圍。
通常來說，帶狀離子束14a的范圍足以對(duì)工件24的整個(gè)相應(yīng)尺寸進(jìn)行注入，也就是說，如果穿過注入腔22的帶狀離子束14a在水平方向或X方向上延伸(圖1和5)，并且工件24具有300毫米的水平尺寸(或者直徑為300毫米)，那么電子控制器26將適當(dāng)?shù)丶?lì)電極38，使得對(duì)于300毫米的工件來說，帶狀離子束14a在撞擊到注入腔22中的工件24上時(shí)的水平范圍W將大于300毫米。
如將在下面解釋的那樣，在注入期間，工件支撐結(jié)構(gòu)100既支撐了工件24又使工件24相對(duì)于帶狀離子束14移動(dòng)，從而可使工件24的整個(gè)注入面25被注入離子。除了上述掃描技術(shù)之外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，注入腔22中的帶狀離子束14a的帶狀形狀可以由多種方式來產(chǎn)生。例如，等離子腔28的弧形縫隙可成形為使得所產(chǎn)生的離子束從開始就具有帶狀形狀。本發(fā)明并不限于使用任何具體的技術(shù)或結(jié)構(gòu)來成形或形成離子束。
在1990年12月4日授予Ray等人的美國(guó)專利No.4975586和1988年8月2日授予Myron的美國(guó)專利No.4761559中公開了適于對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)注入的離子注入機(jī)的詳細(xì)描述。上述專利均轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并且通過引用而完整地結(jié)合于本文中。
注入腔的內(nèi)部區(qū)域22e是抽空的。兩個(gè)安裝在注入腔22中的機(jī)械手42，44自動(dòng)地將晶片工件加載到工件支撐組件或結(jié)構(gòu)100上，并可從中卸載晶片工件。在圖1中顯示了工件24處于水平加載位置。在注入之前，工件支撐結(jié)構(gòu)100將工件24旋轉(zhuǎn)到垂直或接近垂直的位置以進(jìn)行注入。如果工件24是垂直的，即相對(duì)于離子束14是正交的，那么注入角或入射角為零度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了減小不必要的溝道效應(yīng)，通常選擇較小但非零度的注入角。
在典型的注入操作中，通過穿梭傳送部件52從第一盒體50中獲取未經(jīng)摻雜的工件，穿梭傳送部件52將工件24送至機(jī)械手54的附近，機(jī)械手54將工件移動(dòng)到定位器56上，在這里工件24被旋轉(zhuǎn)到特定的晶體取向位置。機(jī)械手54重新獲取經(jīng)定向的工件24，并將其移動(dòng)到注入腔22附近的裝載臺(tái)58中。裝載臺(tái)58關(guān)閉，被抽空到所需的真空度，然后朝向注入腔22打開。注入站22中的第一臂42抓取工件24，將其帶到注入腔22中，并將其放在工件支撐結(jié)構(gòu)100的靜電夾盤或卡盤102上。在注入期間使靜電夾盤102通電，以將工件24夾持住。在1995年7月25日授予Blake等人的美國(guó)專利No.5436790和1995年8月22日授予Blake等人的美國(guó)專利No.5444597中公開了合適的靜電夾盤，這兩項(xiàng)專利均轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。上述專利通過引用而完整地結(jié)合于本文中。
在對(duì)工件24進(jìn)行離子注入之后，工件支撐結(jié)構(gòu)100使工件24返回到水平位置，并使靜電夾盤102斷電以釋放工件。注入站22的第二臂44抓取經(jīng)注入的工件24，并將其從注入腔22移動(dòng)到卸載臺(tái)60上。機(jī)械手62將經(jīng)注入的工件24從卸載臺(tái)60移動(dòng)到穿梭傳送部件64處，其將工件放在第二盒體66中。
工件支撐結(jié)構(gòu)100由電子控制器24來操作，在注入期間支撐工件24，并可有利地使工件24相對(duì)于注入腔22中的帶狀離子束14a作旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。通過其旋轉(zhuǎn)能力，工件支撐結(jié)構(gòu)100可有利地在離子束14和工件24的注入面25之間選擇所需的注入角(IA)或入射角。通過其平移或直線運(yùn)動(dòng)的能力，工件支撐結(jié)構(gòu)100允許工件24的注入面在注入期間沿著與所需注入角(IA)重合的平面移動(dòng)，從而保持所需的注入角，并還可保持基本上恒定的距離d(圖1)，即帶狀離子束14a從其進(jìn)入注入腔內(nèi)部區(qū)域22e的入口到其撞擊在工件24的注入面25上的位置點(diǎn)(由于離子束是帶狀離子束，所以實(shí)際上是一條線)之間的傳播距離。這一基本上恒定的距離在注入面25的整個(gè)注入期間均得以保持。也就是說，當(dāng)工件25在與所需注入角(IA)重合的平面中相對(duì)于帶狀離子束14a橫向移動(dòng)時(shí)，這一基本上恒定的距離得以保持，使得整個(gè)注入面在垂直方向或Y方向上進(jìn)行注入。
為了在工件24的整個(gè)注入面25上實(shí)現(xiàn)均勻的離子注入特征，非常需要使離子束14a在注入腔22和離子束14a與工件24的撞擊點(diǎn)之間保持基本上恒定的距離或傳播路徑。針對(duì)工件支撐結(jié)構(gòu)100的另一方式是使離子束14從離子源12到其撞擊在工件注入面25上的位置點(diǎn)的傳播路徑基本上恒定。
在生產(chǎn)過程中，對(duì)半導(dǎo)體晶片工件或平板工件進(jìn)行連續(xù)的注入。也就是說，當(dāng)完成一個(gè)工件的注入時(shí)，使靜電夾盤102斷電以釋放經(jīng)注入的工件。然后自動(dòng)地將經(jīng)注入的工件從注入腔22中移走，并將另一工件置于靜電夾盤102的支撐面104上。靜電夾盤102可適當(dāng)?shù)赝?，從而將工?4牢固地保持在支撐面104上。
在圖2-5中最佳地顯示了工件支撐結(jié)構(gòu)100。當(dāng)靜電夾盤處于工件加載和卸載位置時(shí)(圖1)，在將工件24加載到靜電夾盤102的支撐面104上之后，工件支撐結(jié)構(gòu)100將工件24旋轉(zhuǎn)到注入位置。圖4和5顯示了靜電夾盤102將工件24支撐在注入位置。圖1以虛線顯示了處于注入位置中的工件24的位置，距離d是離子束14a從進(jìn)入注入腔22到撞擊在工件24上之間的傳播距離。
在工件24的注入期間，工件支撐結(jié)構(gòu)100使工件24在帶狀離子束14a的橫向方向上移動(dòng)，從而使整個(gè)注入面25受到恰當(dāng)?shù)淖矒舨⒆⑷胨璧碾x子。如圖5中示意性所示，帶狀離子束14a在與工件24發(fā)生撞擊的位置點(diǎn)處具有沿著X方向(如圖1和5中的X軸所限定的方向)的寬度W，其大于工件24的直徑，因此，不需要為了對(duì)工件進(jìn)行完整的注入而在X方向上移動(dòng)工件。
如圖1中最佳地所示，工件支撐結(jié)構(gòu)100固定在注入腔22的側(cè)壁22c上，并經(jīng)由注入腔側(cè)壁22c中的孔22d而延伸到注入腔22的內(nèi)部區(qū)域22e中。工件支撐結(jié)構(gòu)100包括第一旋轉(zhuǎn)件110、可旋轉(zhuǎn)地安裝在第一旋轉(zhuǎn)件110上的第二旋轉(zhuǎn)件150，以及安裝在第二旋轉(zhuǎn)件150上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)200。第一旋轉(zhuǎn)件110和第二旋轉(zhuǎn)件150分別由其各自的環(huán)形軌道直線電動(dòng)機(jī)140，190(圖4)來驅(qū)動(dòng)。各環(huán)形軌道直線電動(dòng)機(jī)140，190包括設(shè)置成環(huán)形型式的電磁線圈142，192。環(huán)形軌道直線電動(dòng)機(jī)140，190還包括支撐在相應(yīng)的磁性軌道板146，196上的相應(yīng)一組永磁體144，194。通過電子控制器26來使電磁線圈142，192適當(dāng)?shù)赝?，便可精確地控制第一旋轉(zhuǎn)件110和第二旋轉(zhuǎn)件150相對(duì)于注入腔22的旋轉(zhuǎn)。
工件支撐結(jié)構(gòu)的第一旋轉(zhuǎn)件110包括固定的平支撐板112，其固定在注入腔22中，并優(yōu)選固定在注入腔的側(cè)壁22c上。支撐板112包括孔114，其與注入腔側(cè)壁22c中的孔22d對(duì)齊(圖1)。
第一旋轉(zhuǎn)件110還包括輪轂120，其與注入腔22可旋轉(zhuǎn)地相連，更具體地說，與旋轉(zhuǎn)件110的支撐板112可旋轉(zhuǎn)地相連。輪轂120通過軸承組件116而連接在支撐板112上。輪轂120包括延伸穿過其厚度的大致足球形的通孔121?？?21由兩個(gè)具有不同曲率半徑的相交弧形部分來限定?？?21的大致邊界在圖3中以虛線O來表示。在圖3中以標(biāo)號(hào)L來表示孔121的縱向范圍。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，孔O具有60厘米的縱向范圍?？?21與注入腔側(cè)壁22c中的孔22d對(duì)齊。
第一旋轉(zhuǎn)件的輪轂120通過軸承組件116而連接在支撐板112上。軸承組件116優(yōu)選是滾珠軸承或滾柱軸承組件，其包括設(shè)置在環(huán)形軸承罩119中的多個(gè)滾珠軸承或滾柱軸承118，從而提供了支撐板112相對(duì)于注入腔22的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；蛘撸部墒褂帽绢I(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它機(jī)械滾珠或滾柱軸承組件，除了機(jī)械軸承組件之外，也可適當(dāng)?shù)夭捎帽绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的非接觸式空氣軸承。
通過差動(dòng)泵送式環(huán)形或徑向真空密封系統(tǒng)130來在注入腔22的內(nèi)部區(qū)域22e(圖1)和外部環(huán)境之間保持真空。真空密封系統(tǒng)130是接觸式真空密封。如圖4最佳地所示，真空密封系統(tǒng)130包括兩個(gè)環(huán)形的凹槽或溝槽134，它們由在支撐板112的上表面112a中機(jī)加工出來或所形成的環(huán)形通道136隔開。在這三個(gè)溝槽134中均設(shè)有O形密封圈和具有大致方形截面的塑料密封件。兩個(gè)密封件138的上表面都?jí)嚎吭谳嗇?20的下表面120a上。
通道136通過支撐板112中的孔(未示出)與真空泵(未示出)流體式相通?？刹僮鞴潭ㄔ谥伟迳系恼婵毡靡栽谕ǖ?36中抽出真空，從而除去任何偶然透過由外部O形密封圈和塑料密封件組件所形成的密封而從外部大氣環(huán)境中泄漏進(jìn)來的空氣和/或污染物。除了差動(dòng)泵送式環(huán)形真空密封系統(tǒng)之外，其它密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如唇邊式密封或其它聚合材料的密封設(shè)計(jì)也是合適的，并且處于本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)。
另外，非接觸式真空密封系統(tǒng)也適于作為真空密封系統(tǒng)。在非接觸式真空密封系統(tǒng)中不使用O形密封圈和塑料密封件。相反，在支撐板112的下表面112a中加工出一條或多條環(huán)形通道(例如通道136)。這些通道將與連接在支撐板112上的真空泵流體式相通?？刹僮髡婵毡靡栽诃h(huán)形通道中抽出真空。
第一旋轉(zhuǎn)件110可相對(duì)于帶狀離子束14a作±90度的旋轉(zhuǎn)。第一旋轉(zhuǎn)件110的中心線或旋轉(zhuǎn)軸線(在圖2中以虛線AR1示出)與工件24的正面或注入面25對(duì)齊。
工件支撐結(jié)構(gòu)100還包括第二旋轉(zhuǎn)件150，其可旋轉(zhuǎn)地安裝在第一旋轉(zhuǎn)件110上。第二旋轉(zhuǎn)件150包括支撐板152，其通過軸承組件160連接在第一旋轉(zhuǎn)件110的輪轂120上。軸承組件160最好是滾珠軸承或滾柱軸承組件，其包括設(shè)置在環(huán)形軸承罩163中的多個(gè)滾珠軸承或滾柱軸承162，從而為第二旋轉(zhuǎn)件150提供相對(duì)于第一旋轉(zhuǎn)件110的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
或者，除了機(jī)械軸承組件如滾珠或滾柱軸承之外，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知的那樣，也可適當(dāng)?shù)夭捎梅墙佑|式空氣軸承。
第二旋轉(zhuǎn)件150覆蓋并密封了第一旋轉(zhuǎn)件110中的孔121。通過類似于上述真空密封系統(tǒng)130的差動(dòng)泵送式環(huán)形接觸式真空密封系統(tǒng)180來在第一旋轉(zhuǎn)件110和第二旋轉(zhuǎn)件150之間保持真空。如圖4最佳地顯示，真空密封系統(tǒng)180包括兩個(gè)環(huán)形凹槽或溝槽184，其通過在第一旋轉(zhuǎn)件輪轂120的上表面120b中機(jī)加工出來或形成的環(huán)形通道186而隔開。在這兩個(gè)溝槽184中均設(shè)有O形密封圈和具有大致方形截面的塑料密封件。兩個(gè)密封件的上表面均壓靠在第二旋轉(zhuǎn)件的支撐板152的下表面152a上。
通道186通過第二旋轉(zhuǎn)件的支撐板152中的孔(未示出)與真空泵(未示出)流體式相通?？刹僮鞴潭ㄔ谳嗇?20上的真空泵以在通道186中抽出真空，從而除去任何偶然透過由外部、中間O形密封圈和塑料密封件組件所形成的兩個(gè)密封結(jié)構(gòu)而從外部大氣環(huán)境中泄漏進(jìn)來的空氣和/或污染物。除了差動(dòng)泵送式環(huán)形真空密封系統(tǒng)之外，其它密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如唇邊式密封或其它聚合材料的密封設(shè)計(jì)也是合適的，并且處于本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的非接觸式真空密封系統(tǒng)也適用于該真空密封系統(tǒng)180。
第二旋轉(zhuǎn)件150可相對(duì)于第一旋轉(zhuǎn)件110作±180度的旋轉(zhuǎn)。第二旋轉(zhuǎn)件150的中心線或旋轉(zhuǎn)軸線(圖2中的標(biāo)號(hào)AR2)相對(duì)第一旋轉(zhuǎn)件110的旋轉(zhuǎn)軸線AR1偏開250到300毫米。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)200安裝在第二旋轉(zhuǎn)件150上。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)200優(yōu)選是電動(dòng)機(jī)或空心軸伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如圖4和5中示意性所示)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括空心軸?？尚D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線與第一旋轉(zhuǎn)件110的中心線或旋轉(zhuǎn)軸線AR1對(duì)齊。合適的空心軸伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)由HDSystems，Inc.，89 Cabot Court，Hauppauge，NY 11788(www.hdsystemsinc.com)制造。
在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)200上連接了工件支架204，其穿過第一旋轉(zhuǎn)件110和第二旋轉(zhuǎn)件150并延伸到注入腔的內(nèi)部區(qū)域22e中。工件支架204的處于注入腔22中的部分206用來移動(dòng)工件24，以便由帶狀離子束14a進(jìn)行注入。通過真空密封系統(tǒng)210來在工件支架204和第二旋轉(zhuǎn)件150之間保持真空。真空密封系統(tǒng)210優(yōu)選是與上述真空密封系統(tǒng)130，160類似的差動(dòng)泵送的接觸式環(huán)形真空密封系統(tǒng)。真空密封系統(tǒng)210包括安放在一對(duì)環(huán)形凹槽211中的O形密封圈和的塑料密封件，該凹槽211位于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)200的安裝支撐201(圖4)中。在這一對(duì)凹槽211之間設(shè)有通道212，其通過孔與真空泵相連。真空泵在通道212中抽出真空。
除了O形密封圈和塑料密封件之外，其它接觸式密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如唇邊式密封或其它聚合材料的密封設(shè)計(jì)或鐵磁流體式密封也也適用于真空密封系統(tǒng)210，并且處于本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)。非接觸式真空密封系統(tǒng)也適用于真空密封系統(tǒng)210。
第一旋轉(zhuǎn)件110和第二旋轉(zhuǎn)件150以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)200允許工件支架204從任何位置在0到360度之間旋轉(zhuǎn)，從而使工件24被設(shè)定在用于注入的任何所需注入角(IA)上。一旦獲得所需的注入角，那么通過第一旋轉(zhuǎn)件110和第二旋轉(zhuǎn)件150以及可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件202的協(xié)調(diào)且同步的旋轉(zhuǎn)，便可實(shí)現(xiàn)工件24的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以便對(duì)注入面25進(jìn)行注入。電子控制器26控制這三個(gè)部件110，150，202的正確旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生工件24在注入腔內(nèi)部區(qū)域22e中的直線運(yùn)動(dòng)。
工件24的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)垂直于工件注入面25的法向矢量。工件支撐結(jié)構(gòu)100的多個(gè)獨(dú)立的自由度或運(yùn)動(dòng)允許在帶狀離子束14a之前對(duì)工件24進(jìn)行恒定焦距的掃描。換句話說，從帶狀離子束進(jìn)入注入腔22到帶狀離子束14a撞擊在工件注入面25上的線的距離對(duì)于任何所選定的注入角來說都是恒定的。注入角即往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的軸線和離子束之間的角度可在0到89度之間任意變化。這可通過第一旋轉(zhuǎn)件110的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。這樣，工件支撐結(jié)構(gòu)允許工件24在帶狀離子束14a之前在全部為恒定的焦距下實(shí)現(xiàn)多個(gè)注入角或掃描角，該焦距即圖1中所示的恒定距離d。
工件24通過靜電夾盤或卡盤102而相對(duì)于工件支架204固定住。為了去除在注入期間從工件24中傳遞過來的能量或熱量，需要冷卻靜電夾盤102。為了實(shí)現(xiàn)四個(gè)一組或八個(gè)一組的注入，靜電夾盤102優(yōu)選與電動(dòng)機(jī)可操作地相連，使得夾盤102的工件支撐面104可以在工件支架的遠(yuǎn)端218處一直旋轉(zhuǎn)到360度。如圖5中的虛線AR3所示，靜電夾盤102的旋轉(zhuǎn)中心線或旋轉(zhuǎn)軸線與工件24的中心線對(duì)齊。靜電夾盤102的旋轉(zhuǎn)可通過安裝在工件支架遠(yuǎn)端218中并與靜電夾盤102直接相連的電動(dòng)機(jī)(未示出)來實(shí)現(xiàn)。或者，電動(dòng)機(jī)可通過非直接的驅(qū)動(dòng)部件如皮帶或纜線(未示出)而與靜電夾盤相連。
靜電夾盤102通過軸承組件220而安裝在工件支架的遠(yuǎn)端218內(nèi)。軸承組件220優(yōu)選是滾珠軸承或滾柱軸承組件?；蛘?，軸承組件220可以是非接觸式氣體軸承。
靜電夾盤102和工件支架遠(yuǎn)端218之間的真空通過表面真空密封系統(tǒng)230來實(shí)現(xiàn)。密封系統(tǒng)是必需的，這是因?yàn)楣ぜЪ?04的內(nèi)部體積處于大氣中。真空密封系統(tǒng)230優(yōu)選是差動(dòng)泵送的環(huán)形接觸式真空密封系統(tǒng)，類似于之前所介紹的密封系統(tǒng)130，180，210。真空密封系統(tǒng)230包括安放在兩個(gè)相應(yīng)環(huán)形凹槽234中的O形密封圈和塑料密封件，凹槽234位于工件支架遠(yuǎn)端部分158中的面向靜電夾盤102的端部236的內(nèi)圓柱面中。在凹槽之間設(shè)有通道236，其通過孔而與真空泵相連。真空泵在通道236內(nèi)抽出真空。
除了O形密封圈和塑料密封件之外，其它接觸式密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如唇邊式密封或其它聚合材料的密封設(shè)計(jì)或鐵磁流體式密封也適用于真空密封系統(tǒng)230，并且處于本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)。非接觸式真空密封系統(tǒng)也適用于真空密封系統(tǒng)230。
雖然已經(jīng)以一定程度的特殊性來介紹了本發(fā)明，然而本發(fā)明應(yīng)包括屬于所附權(quán)利要求的精神或范圍內(nèi)的對(duì)所公開的設(shè)計(jì)進(jìn)行的所有的修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種離子束注入機(jī)，包括a)離子束源，其用于產(chǎn)生沿著射束管線運(yùn)動(dòng)的離子束；b)限定了內(nèi)部區(qū)域的注入腔，工件設(shè)于所述內(nèi)部區(qū)域中并與所述離子束相交，以便通過所述離子束來對(duì)所述工件的注入面進(jìn)行離子注入；和c)與所述注入腔相連并支撐了所述工件的工件支撐結(jié)構(gòu)，所述工件支撐結(jié)構(gòu)包括1)與所述注入腔可旋轉(zhuǎn)地相連的第一旋轉(zhuǎn)件，其包括延伸穿過所述旋轉(zhuǎn)件并與所述注入腔的壁中的孔對(duì)齊的孔；2)與所述第一旋轉(zhuǎn)件可旋轉(zhuǎn)地相連的第二旋轉(zhuǎn)件，其具有與所述第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線偏離的旋轉(zhuǎn)軸線，所述第二旋轉(zhuǎn)件覆蓋了所述第一旋轉(zhuǎn)件中的孔；3)固定地連接在所述第二旋轉(zhuǎn)件上的第三部件，所述第三部件包括支撐了所述工件的可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)件，所述可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件可相對(duì)于所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)，并延伸穿過所述第二旋轉(zhuǎn)件和所述第一旋轉(zhuǎn)件中的孔，所述第一旋轉(zhuǎn)件、第二旋轉(zhuǎn)件以及第三旋轉(zhuǎn)部件的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以使所述工件沿著移動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)所述注入面進(jìn)行注入，其中，離子束在撞擊到所述工件的注入面之前運(yùn)動(dòng)穿過所述注入腔的距離是恒定的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第三部件的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)軸線與所述第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線與所述工件的注入面對(duì)齊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線偏離所述第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線達(dá)250到300毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于所述離子束在所述注入腔中的部分的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述工件的移動(dòng)路徑是直線移動(dòng)路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述工件支撐結(jié)構(gòu)還包括固定在所述第三部件的可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)件上的工件支撐件，其延伸到所述注入腔的內(nèi)部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述工件支撐結(jié)構(gòu)還包括用于在注入期間固定工件的靜電夾盤，所述靜電夾盤固定在所述工件支撐件上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述靜電夾盤可相對(duì)于所述離子束旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件通過軸承組件與注入站相連。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件通過軸承組件與所述第一旋轉(zhuǎn)件相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，通過環(huán)形真空密封系統(tǒng)來在所述注入腔和第一旋轉(zhuǎn)件之間保持真空。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，通過環(huán)形真空密封系統(tǒng)來在所述第一旋轉(zhuǎn)件和第二旋轉(zhuǎn)件之間保持真空。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，通過真空密封系統(tǒng)來在所述工件支撐件和第二旋轉(zhuǎn)件之間保持真空。
15.一種離子束注入機(jī)，包括a)離子束源，其用于產(chǎn)生沿著射束管線運(yùn)動(dòng)的離子束；b)注入腔，工件設(shè)于所述注入腔中并與所述離子束相交，以便通過所述離子束來對(duì)所述工件的表面進(jìn)行離子注入；和c)與所述注入腔相連并支撐了所述工件的工件支撐結(jié)構(gòu)，所述工件支撐結(jié)構(gòu)包括1)與所述注入腔可旋轉(zhuǎn)地相連的第一旋轉(zhuǎn)件，其具有延伸穿過所述旋轉(zhuǎn)件的孔，所述孔與所述注入腔的壁中的孔對(duì)齊；和2)與所述第一旋轉(zhuǎn)件可旋轉(zhuǎn)地相連并覆蓋了所述第一旋轉(zhuǎn)件的孔的第二旋轉(zhuǎn)件；和3)固定地連接在所述第二旋轉(zhuǎn)件上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其包括可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)件，所述驅(qū)動(dòng)件延伸穿過所述第二旋轉(zhuǎn)件和所述第一旋轉(zhuǎn)件中的孔，并且在所述注入腔的內(nèi)部區(qū)域中支撐所述工件，所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件以及所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便可在所需的注入角下對(duì)所述工件的注入面進(jìn)行注入，并且所述工件沿著與該所需注入角相重合的移動(dòng)路徑而運(yùn)動(dòng)，并且所述離子束的焦距是恒定的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)軸線與所述第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線與所述工件的注入面對(duì)齊。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線偏離所述第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線達(dá)250到300毫米。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于所述離子束在所述注入腔中的部分的方向。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述工件的移動(dòng)路徑是直線移動(dòng)路徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述工件支撐結(jié)構(gòu)還包括固定在所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件上的工件支撐件，其延伸到所述注入腔的內(nèi)部。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述工件支撐結(jié)構(gòu)還包括用于在注入期間固定所述工件的靜電夾盤，所述靜電夾盤固定在所述工件支撐件上。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述靜電夾盤可相對(duì)于所述離子束旋轉(zhuǎn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件通過軸承組件與注入站相連。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件通過軸承組件與所述第一旋轉(zhuǎn)件相連。
26.根據(jù)權(quán)利要求14所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，通過環(huán)形真空密封系統(tǒng)來在所述注入腔和第一旋轉(zhuǎn)件之間保持真空。
27.根據(jù)權(quán)利要求14所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，通過環(huán)形真空密封系統(tǒng)來在所述第一旋轉(zhuǎn)件和第二旋轉(zhuǎn)件之間保持真空。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的離子束注入機(jī)，其特征在于，通過真空密封系統(tǒng)來在所述工件支撐件和第二旋轉(zhuǎn)件之間保持真空。
全文摘要
一種離子束注入機(jī)，包括用于產(chǎn)生沿著射束管線運(yùn)動(dòng)的離子束(14)的離子束源，以及注入腔，工件(24)設(shè)于注入腔中并與離子束相交，以便通過離子束來對(duì)工件表面進(jìn)行離子注入。離子束注入機(jī)還包括與注入腔相連并支撐了工件的工件支撐結(jié)構(gòu)(100)。該工件支撐結(jié)構(gòu)包括與注入腔可旋轉(zhuǎn)地相連的第一旋轉(zhuǎn)件(110)，其包括延伸穿過該旋轉(zhuǎn)件并與注入腔壁中的孔對(duì)齊的孔(121)。該工件支撐結(jié)構(gòu)還包括與所述第一旋轉(zhuǎn)件可旋轉(zhuǎn)地相連的第二旋轉(zhuǎn)件(150)，其具有與第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸線偏離的旋轉(zhuǎn)軸線，所述第二旋轉(zhuǎn)件覆蓋了第一旋轉(zhuǎn)件中的孔。工件支撐結(jié)構(gòu)還包括固定地連接在第二旋轉(zhuǎn)件上的第三部件，該第三部件包括支撐了工件的可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)件(200，204)。第一旋轉(zhuǎn)件、第二旋轉(zhuǎn)件以及第三旋轉(zhuǎn)部件的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以使工件沿著移動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)注入面進(jìn)行注入，其中，離子束在撞擊到工件注入面之前運(yùn)動(dòng)穿過注入腔而運(yùn)動(dòng)的距離是恒定的。
文檔編號(hào)H01J37/00GK1672234SQ03817753
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月29日
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